O que faz com que um material se dobre sem se partir? O módulo de elasticidade é fundamental, influenciando a forma como os materiais respondem sob tensão. Este artigo explora cinco factores críticos que afectam o módulo de elasticidade: elementos de liga, tratamento térmico, endurecimento por deformação, deformação plástica a frio e temperatura. Os leitores ficarão a saber como estas variáveis afectam as propriedades dos materiais, essenciais para as aplicações de engenharia.
O módulo de elasticidade do aço é determinado principalmente pelas propriedades intrínsecas dos átomos de metal e pela estrutura da rede cristalina. Esta relação fundamental resulta das forças interatómicas, que dependem em grande medida da estrutura eletrónica dos átomos metálicos e da sua disposição espacial na rede.
Embora os elementos de liga possam induzir alterações nos parâmetros de rede do aço, o seu impacto no módulo de elasticidade é geralmente mínimo para a maioria das ligas de aço convencionais. Este efeito limitado deve-se às alterações relativamente pequenas no espaçamento interatómico e na ligação que ocorrem com as adições típicas de ligas. Consequentemente, os valores do módulo de elasticidade dos aços-liga e dos aços-carbono tendem a ser bastante semelhantes.
Quantitativamente, a variação do módulo de elasticidade entre os aços-liga e os aços-carbono é tipicamente inferior a 12%. Esta diferença relativamente pequena sublinha a predominância das propriedades inerentes ao ferro na determinação do comportamento elástico do aço, mesmo quando ligado com quantidades significativas de outros elementos.
É importante notar que, embora o módulo de elasticidade permaneça relativamente constante, os elementos de liga podem influenciar significativamente outras propriedades mecânicas, como o limite de elasticidade, a resistência à tração e a ductilidade, através de vários mecanismos de reforço (por exemplo, reforço por solução sólida, endurecimento por precipitação ou refinamento do grão).
O tratamento térmico exerce geralmente uma influência mínima sobre o módulo de elasticidade dos metais. Este facto é evidenciado por várias observações fundamentais:
No entanto, a relação entre o tratamento térmico e as propriedades elásticas torna-se mais complexa quando se consideram ligas e propriedades mecânicas específicas:
É importante notar que, embora este comportamento seja observado em 60Si2MnA, a universalidade desta relação em diferentes ligas e processos de tratamento térmico requer uma investigação mais aprofundada. Os engenheiros e cientistas de materiais devem ter em conta estas potenciais variações quando projectam componentes ou estruturas que dependem de propriedades elásticas e de corte precisas, especialmente para aplicações de elevado desempenho, como molas ou instrumentos de precisão.
Se o provete for um material plástico, que é carregado até à fase plástica e depois descarregado, quando o material regressa ao estado de equilíbrio, a tensão elástica desaparece, enquanto que a tensão plástica não desaparece, resultando numa deformação permanente do material, como se mostra na Fig. a.
Este processo é designado por endurecimento por deformação ou endurecimento por trabalho a frio.
Assim, embora o limite proporcional seja aumentado, a plasticidade é reduzida até certo ponto e a fragilidade é aumentada.
Pode ver-se na figura a que, antes e depois do reforço, a linha reta da secção linear da curva tende a ser paralela, o declive é o mesmo e o módulo de elasticidade é o mesmo.
De facto, o provete perderá algum calor ou energia quando for descarregado do ponto a' e depois carregado para o mesmo ponto.
Por conseguinte, as curvas do processo de carga e descarga não coincidem.
Como mostra a linha a tracejado na Fig. b, existirá uma zona de histerese mecânica.
Ao selecionar materiais de amortecimento para estruturas vibratórias ou equipamento mecânico, as características histeréticas mecânicas devem ser tidas em conta.
Diagrama esquemático do processo de reforço do material
A deformação plástica a frio induz uma ligeira redução no módulo de elasticidade dos metais, variando tipicamente entre 4% e 6%. Este fenómeno é atribuído principalmente ao desenvolvimento de tensões residuais na microestrutura do material durante o processo de deformação.
A magnitude da deformação plástica influencia significativamente a anisotropia do módulo de elasticidade. À medida que o grau de deformação aumenta, o material apresenta uma dependência direcional nas suas propriedades elásticas. Em particular, o módulo de elasticidade atinge o seu valor máximo ao longo da direção primária de deformação, uma consequência da evolução da textura cristalográfica e da formação da subestrutura de deslocação.
Esta alteração do módulo de elasticidade devido à deformação plástica a frio tem implicações importantes para a enformação a frio de componentes de precisão. A anisotropia induzida e a redução global do módulo de elasticidade podem conduzir a:
Para atenuar estes efeitos e obter uma enformação a frio de alta precisão, os fabricantes devem ter em conta:
À medida que a temperatura aumenta, as distâncias interatómicas dentro da estrutura cristalina do material expandem-se, levando a uma redução do módulo de elasticidade. Este comportamento dependente da temperatura é crucial em aplicações de engenharia, particularmente em ambientes de alta temperatura.
Para o aço-carbono, um material importante em aplicações industriais, o módulo de elasticidade apresenta uma sensibilidade notável à temperatura. Especificamente, por cada aumento de 100°C na temperatura, o módulo de elasticidade do aço-carbono diminui em aproximadamente 3% a 5%. Esta redução é atribuída ao enfraquecimento das ligações interatómicas e ao aumento das vibrações atómicas a temperaturas mais elevadas.
No entanto, é importante notar que dentro da gama de temperaturas de -50°C a 50°C, que engloba a maioria das condições de funcionamento ambiente, o módulo de elasticidade do aço permanece relativamente estável. Esta estabilidade nas propriedades elásticas dentro desta gama contribui para o desempenho previsível e fiável das estruturas e componentes de aço em condições ambientais normais.
O comportamento do módulo de elasticidade dependente da temperatura tem implicações significativas para a conceção e seleção de materiais em várias aplicações, tais como equipamento de processamento a alta temperatura, componentes aeroespaciais e estruturas sujeitas a variações extremas de temperatura. Os engenheiros devem ter em conta estas alterações ao projetar componentes que funcionarão em amplas gamas de temperatura para garantir a integridade estrutural e o desempenho ao longo da vida útil pretendida.
Como a deformação elástica se propaga no meio à velocidade do som, a velocidade do som no meio metálico é bastante grande, como 4982m/s no aço;
No ensaio de impacto de pêndulo normal, a taxa de deformação absoluta é de apenas 4 ~ 5,5 m/s, e mesmo no ensaio de impacto de alta velocidade, a taxa de deformação é de 103m / s.
Sob tal carga de impacto, a deformação elástica pode sempre seguir a mudança da força de impacto externa, de modo que a taxa de deformação não tem efeito sobre o comportamento elástico e o módulo de elasticidade dos materiais metálicos.
Nas máquinas modernas, a taxa de deformação de várias peças varia entre 10-6 a 106s-1.
Por exemplo, a taxa de deformação do ensaio de tração estático é de 10-5 ~ 10-2s-1 (referida como taxa de deformação quase-estática), e a taxa de deformação da carga de impacto é de 102 ~ 104s-1, designada por taxa de deformação elevada.
Além disso, existem ensaios de taxa de deformação média com uma taxa de deformação de 10-2 ~ 102s-1como o martelo de queda e o volante rotativo.
A prática mostra que quando a taxa de deformação é da ordem de 10-4 ~ 10-2s-1Se a carga for de origem estática, as propriedades mecânicas do material não se alteram de forma evidente e podem ser tratadas como carga estática.
Quando a taxa de carga de deformação é superior a 10-2s-1As propriedades mecânicas do material mudarão significativamente, o que deve ter em conta uma série de alterações nas propriedades mecânicas causadas pelo aumento da taxa de deformação.
Na fase de deformação plástica, a deformação aumenta lentamente com o aumento da taxa de carga.
Por conseguinte, quando a taxa de carga é muito rápida, a deformação plástica não pode ser totalmente realizada, o que se manifesta como a melhoria do limite elástico, limite de elasticidade e outras resistências à deformação microplástica.
Verifica-se também que a deformação plástica sob carga de impacto está concentrada em algumas áreas locais, o que reflecte que a deformação plástica é extremamente irregular.
Esta não uniformidade também limita o desenvolvimento da deformação plástica, tornando a deformação plástica incapaz de ser totalmente realizada, resultando na melhoria da resistência ao escoamento e da resistência à tração, e a melhoria da resistência ao escoamento é maior e a melhoria da resistência à tração é menor.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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